高等院校集體供暖中的分時分溫控制管理模式

楊洪青，席 飛，張華崗，李 輝

(1河北科技師范學院，河北秦皇島，066004;2秦皇島市文怡自控技術有限公司;3河北科技師范學院歐美學院)

2008年相關統計數據顯示，我國建筑能耗占全國能源消耗總量的30%，其中采暖空調約占全部建筑能耗的65%［1］。由此可見，建筑為耗能大戶，為了經濟和社會的可持續發展，必須把建筑節能放在重要位置。我國冬季需集體供暖的高等院校眾多，耗費資金巨大，部分高校每年供暖所消耗的能源費已占到全校總體能源經費的50%［2，3，4］。目前，我國一些高等院校冬季供暖未根據各種建筑使用的不同情況、室外溫度在一天內的變化情況進行調控。為此，筆者結合地處河北省秦皇島市的河北科技師范學院實際情況，對高等院校冬季供暖能源消耗的基本狀況進行了分析。高等院校樓宇按供暖特點可分為三類:第一類是教學樓、辦公樓、圖書館、體育館、實驗樓等，稱為公共樓宇，其特點是白天使用，夜間基本無人使用。第二類是學生公寓樓，這類樓宇的特點是學生開學期間使用，而寒假期間基本不使用。第三類是學校職工及家屬住宅樓，住宅樓的特點是供暖期內任何時候都必須保證供暖達標。高等院校冬季供暖的浪費現象主要表現在:第一類樓宇夜間沒人使用也供暖，造成能源浪費;第二類樓宇在寒假封閉期間照常供暖，從而造成能源浪費;第三類樓宇的建設年代不同，管道有粗有細，暖氣片的組數有多有少，有的家屬樓離換熱站較近，有的離換熱站較遠，房間的保溫效果也不同，為了保證所有的住宅樓供暖達標，致使一些樓宇供暖過熱。

根據以上三種類型樓宇的特點，筆者認為應該對高等院校集中供暖系統進行分時、分溫、平衡控制的自動化改造，建立節能供暖系統及監管體系。改造后的節能供暖系統要實現按需供暖、均衡供暖、達標供暖，以達到節約能源、減少資金浪費的目的。采取集中監控，運行人員在監控中心對供暖系統的運行情況實行實時監控，通過對下位機的參數設置，優化系統的運行，使供暖系統的管理科學化、信息化。

1 高等院校冬季節能供暖系統的總體設計和控制方式

采暖系統按作用可分為熱源部分、熱能傳輸部分和用戶末端部分。熱源部分主要是指鍋爐，提高鍋爐效率、加強鍋爐自動化技術和水泵變頻技術可實現熱源部分的節能;熱能傳輸部分指熱能從熱源到用戶末端傳送過程中的傳輸管道，加強管網保溫、改善管網水力平衡可實現熱能傳輸部分的節能;用戶末端是指最終消耗熱能的環節，即供熱建筑［5］。在此主要討論用戶末端的節能改造。

1.1 總體設計

供熱分時分溫控制系統是根據傳統供熱存在的問題設計而成的，主要由分時分溫控制器、溫度傳感器和閥門組成，節能監管體系與分時分溫控制器通過校園網絡或者GPRS無線網絡互聯，能夠實現遠程監測與控制(圖 1)［5，6，7］。

1.2 用戶末端的改造

室內溫度需求是決定建筑熱負荷的一個重要指標，由于教學樓、辦公樓、實驗樓和圖書館等公共樓宇夜間無人，可停止供暖或低溫供暖，部分學校通過夜間降低供暖力來降低室內溫度，從而達到節能運行;寒假期間，除家屬樓以外絕大多數樓宇均無人，也可以降低室內溫度，實現經濟運行。

但目前大多數高校建筑熱力入口只裝手動閥門，不能達到調節的目的，因此提出在每棟樓宇安裝一套分時分溫控制器、3個無線室溫傳感器，并在樓宇的熱力入口的回水管上安裝電動調節閥、供水溫度傳感器和回水溫度傳感器，以便于在白天、夜間、周末及寒假期間調節，使其經濟運行。而教學樓、辦公樓、學生宿舍樓又占全校總供暖面積相當大的比例，寒假期間調節得好，供暖熱負荷大大降低(圖2)。

為了準確、全方位的了解樓宇的供熱狀況，在每棟樓宇安裝3個無線室溫傳感器，選取溫度適中的房間安裝1個室溫傳感器作為該棟樓宇的室溫采樣點，剩余2個室溫傳感器分別安裝在走廊和衛生間，作為樓宇最低溫度采樣點，用于防凍控制。

圖1 高等院校冬季節能供暖系統的總體結構

圖2 分時分溫控制器在供暖樓宇熱力入口處的安裝位置

1.3 節能監管體系的建立

各個分時分溫控制器通過校園網或者GPRS無線網絡向主控中心設置的固定IP發送數據，主控中心的通信驅動軟件負責接收分時分溫采集器發送的數據，并解析后存入庫。主控中心設有數據庫服務器，該服務器用于保存各個分時分溫控制器的實時信息、歷史信息和相關參數(圖3)。

系統軟件采用B/S架構，用戶數據查詢請求通過本地局域網內或廣域網上計算機的WEB瀏覽器發出，中心的WEB服務器接收到相應請求后，在該用戶權限范圍內調用服務器處理過的數據發送到客戶端，并以表格或圖形的方式顯示。為保障系統安全，防止非法侵入，系統與外網之間通信采用防火墻隔離。WEB服務器主要是為客戶端的瀏覽服務，工作站供后勤工作人員配置建筑信息以及查詢各個建筑的溫度情況以及建筑間的對比情況。

圖3 高等院校冬季節能供暖系統的監管中心系統結構

2 高等院校冬季節能供暖系統的控制方法

上述分時分溫控制器的控制模式分為分時開度控制、分時溫度控制和假期控制共3種模式。

2.1 分時開度控制

分時是指將一天24小時分為12個時段，每個時段的長度可根據單個樓宇作息時間表靈活配置;開度控制是指在不同的時段設定不同開度，公式(1)為分時開動的函數表達式。閥門輸出下限、室內溫度下限和室內溫度下限這3個參數的作用是防止暖氣管道因過低的閥門開度導致凍裂。

Oc(ti):第i時段控制開度;Os(ti):第i時段設定開度。

Tir:當前室內溫度;Til:室內溫度下限。

Ol:第i時段輸出下限;Oh:第i時段輸出上限。

Tor:當前室外溫度;Tol:室外溫度下限。

分時開度控制適用于非寒假期間作息時間分段明顯且控制溫度相對較難的樓宇，例如教學樓和部分辦公樓等公共樓宇。表1為分時開度控制應用于某教學樓的的參數設置舉例。

表1 某教學樓節能供暖系統分時開度控制設置

2.2 分時溫度控制

分時溫度控制是指根據單個樓宇作息時間表在不同時段設定不同的房間溫度，以設定溫度作為給定值，以檢測到的房間平均溫度作為反饋值，以電動調節閥作為輸出對象，通過內置的PID調節器自動調節閥門開度，從而實現調節室內溫度的目的。分時溫度控制的函數表達式如公式(2)所示。本系統采用增量式PID控制算法，增量式PID算法與位置式PID算法相比，計算量要小得多，因此在實際中得到廣泛應用。

Oc(ti):第i時段控制開度;Os(ti):第i時段設定開度。

Tir:當前室內溫度;Til:室內溫度下限。

Ol:第i時段輸出下限;Oh:第i時段輸出上限。

Tor:當前室外溫度;Tol:室外溫度下限。

其中:Ok－1(ti)為上次采樣周期控制開度。

ΔOk(ti)=Aek－Bek－2+Cek－2為增量式PID控制算法計算出來的增量值。

分時溫度控制適用于非寒假期間辦公樓、公寓樓的節能運行，也可用于寒假期間所有樓宇的低溫節能運行。表2為分時溫度度控制應用于某教學樓的的參數設置舉例。

表2 某教學樓節能供暖系統分時溫度控制設置

2.3 假期控制模式

由于學校在寒假期間，教學樓、辦公樓和公寓樓基本上沒有人使用，在保證不凍壞暖氣管道的情況下可對這些樓宇進行全天候節能控制。公式(3)為假期控制模式的函數表達式，系統將室外溫度分為12個溫段，每個溫度對應一個開度1，開度1保持時間，開度2和開度2保持時間，再以特定溫段，系統控制閥門在開度1和開度2按照各自的保持時間交替變換。表3為假期控制模式參數設置舉例，室外溫度在－18～－16℃溫段內時，閥門將在100%開度保持240min，然后又在30%開度保持30min，然后又在100%開度保持240 min，如此循環。

Ti:第i室外溫段;Os1:開度1;ts1:開度1保持時間;Os2:開度2;ts2:開度2保持時間。

表3 節能供暖系統假期控制模式參數設置

3 節能分析

用建筑物供暖面積指標法，對上述全部建筑進行按現行的不進行節能調控的供暖方法對全年能耗進行計算，以及采用分時供暖方式對能耗進行計算，從而得出全年節能總量。

3.1 公共樓宇的節能率

非寒假期，晚上21:30～次日凌晨5:30閥門關閉8 h，減去1 h暖氣變涼的時間，有7 h是節能時間。節能時間占24 h的比例為29%，是公共樓宇在非寒假期的節能率。

寒假期間，公共樓宇可進行全天控制，一般關閉3 h后，將閥門打開運行20 min，使熱水在樓內的暖氣管道中完成一次大循環，然后，再將閥門關閉3 h。關閉閥門后的1 h暖氣變涼的時間，節能時間為2 h，占3 h20 min的比例為2/3.33=60%。

整個供暖季公共樓宇的節能率為:

［60% ×28(寒假時間)+29% ×92(非寒假期時間)］/120(供暖季時間)=36%

3.2 公寓樓部分的節能率

在非寒假期對公寓樓進行分時分溫控制，正常供暖控制在18℃，白天上課時間控制在16℃，按5 h關閉供暖計算，節能率為:5/24=20%。

寒假期間公寓樓的節能率與公共樓宇的節能率相同，為60%。

整個供暖季公寓樓的節能率為:

［60% ×28(寒假時間)+20% ×92］/120(供暖季時間)=29%

綜上所述，高校建筑采暖采用分時分溫控制、遠程監管，與不進行節能調控的供暖方式相比，不僅節能效果顯著，而且可大大提高高校采暖的科學性、先進性，具有極高的社會效益、經濟效益和環境效益，是一種科學合理、前途光明的供暖方式。

［1］ 清華大學建筑節能研究中心.中國建筑節能年度發展研究報告2010［M］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［2］ 張玉旗.高等院校采暖節能問題研究［J］.山西建筑，2007，33(23):182-183.

［3］ 張鼎肅，熊東峰.高等院校供暖系統常見問題及節能優化研究［J］.河南城建學院學報，2010，19(2):5-57.

［4］ 楊生海，田斌.高校供熱系統運行調節方案探索——以西安電子科技大學供熱系統為例［J］.中國電子教育，2008(4):51-55.

［5］ 潘承輝，劉成.校園供暖節能技術應用與成效［J］.建設科技，2008(Z2):74-76.

［6］ 張重慶，隋新友，張學利，等.校園供暖系統的節能調節與遠程監控［J］.山東科技大學學報:自然科學版，2010，29(3):69-72，95.

［7］ 羅增潤.供熱節能兩大技術［J］.中國建設信息供熱制冷，2006(4):31.